ВСТУП

Ґрунт – це сполучна ланка між атмосферою, гідросферою, літосферою і живими організмами. Він відіграє важливу роль у процесах обміну речовина- ми та енергією між компонентами біосфери. Ґрунт – це основа життя, місце існування багатьох живих організмів.

До найпоширеніших і небезпечних забруднювачів навколишнього середовища належить нафта, яка потрапляє в грунт у результаті аварійних виливів. Вона зумовлює токсичну дію на рослини і тварини, пригнічує активність ґрунтової мікробіоти та порушує баланс ґрунтових ферментів. У зв'язку з цим гостро стоїть проблема діагностики токсичного впливу нафтових вуглеводнів на екосистему ґрунтів. Якщо невеликі кількості нафти в ґрунті можуть навіть проявляти стимулюючий вплив на ріст рослин, то на практиці, в більшості випадків зустрічається нафтове забруднення, яке супроводжується токсичною дією на живі організми. В літературі досить мало даних щодо токсичності нафтозабруднених ґрунтів різного типу стосовно певного виду рослин. Тому перспективним, на наш погляд, будуть дослідження цього питання[1].

Мета досліджень: використання ростових показників гірчиці білої для фітоіндикації вуглецьзабруднених ґрунтів

Об'єкти досліджень:

Тест об`єкти: сірий та бурий лісовий ґрунти, забруднені різними концентраціями нафти та дизпалива;

Тест культура: Гірчиця біла

Предмет досліджень: фітотоксичність вуглецьзабруднених ґрунтів.

Завдання досліджень:

1. відбір проб ґрунтів і підготовка їх для досліджень;

2. визначення в ґрунтах агро-хімічних показників і гранулометричного складу;

3. проведення фітотестування вуглецьзабруднених ґрунтів у лабораторних умовах

4. визначення фітотоксичності вуглецьзабруднених ґрунтів різного гранулометричного складу

Розділ 1 небезпека забруднення ґрунтів нафтою

1. Нафта, як небезпечний забруднювач ґрунтів

Нафта являє собою маслянисту рідину, зазвичай темно-коричневого кольору. Основним компонентом нафти є вуглеводні (98%). Крім того, до складу нафти входять похідні, що містять кисень, сірку і азот. Зміст вуглеводнів в нафти доходить до 83-8,7%, водню - до 11,5 - 14,5%, кисню 0,05 - 0,36 (мас.). У золі нафти знайдені Са, М та ін. елементи. Вміщені в нафти сірчисті з'єднання надають їй неприємний запах. Ароматичні сполуки, наявні в складі нафти, є найбільш токсичними і згубно діють на рослини. На сучасному етапі проблема збереження і відновлення ґрунтів набуває особливої актуальності, оскільки грунтові ресурси земної кулі обмежені. Незважаючи на всі запобіжні заходи в процесі нафтовидобутку, а також при транспортуванні нафти неминуче забруднення ґрунтів, яке обумовлює порушення екологічної рівноваги, що виявляється в зміні структури біоценозів, інтенсивності і спрямованості грунтоутворювальних процесів і т.д.[2]

Результати дослідження ґрунтів, забруднених нафтою, дають підстави зробити висновок, що характер і ступінь забруднення залежать від природно-кліматичних умов формування ґрунтів, їх фізико-хімічних і біологічних властивостей, а також від складу нафти. Нафта надає інгібуючий вплив на ріст і розвиток рослин, яке, мабуть, обумовлено порушенням екологічної обстановки (зміною повітряного, гідротермічного режиму, агрохімічних властивостей, зв'язуванням нафтою біогенних елементів - азоту, фосфору і тд.) і прямим впливом які у нафти нафтенових кислот і інших токсичних вуглеводнів [3]. Повне розщеплення вуглеводнів в грунті до Н₂О і СО₂ можливо лише за участі цілого комплексу мікроорганізмів.

Під впливом нафти відбувається зміна реакції середовища, різко збільшується кількість вуглецевих сполук, посилюються відновні процеси. У забруднених нафтою ґрунтах знижується ємність поглинання, зменшується доступність для рослин фосфору і калію. Знижується також швидкість окислювально-відновних реакцій і ферментативна активність. Забруднення ґрунтів може викликати недостаток кисню і надлишок органічних речовин.

Поведінка нафтопродуктів у грунті залежить як від властивостей самих нафтопродуктів, так і від властивостей ґрунтів. У ґрунтах важкого механічного складу нафтопродукти часто не просочуються в глибокі шари ґрунту і в грунтові води. У більш легких ґрунтах забруднюючі речовини можуть досягати грунтових вод і частково розчиняються в них.

Забруднення ґрунту на значний час відхиляє наземні біоценози від природного кругообігу речовин та енергії в біосфері, що, безсумнівно, відбивається на загальному балансі останньої. Під впливом нафти в грунті відбуваються глибокі зміни. В біологічний круговорот включаються нові, чужі для природних систем речовини, в тому числі і канцерогенні. Останні по системі «грунт-рослини-людина» мігрують в організм людини і представляють надзвичайну небезпеку для його здоров'я. Негативний вплив нафтових забруднень на грунт часто приймає незворотного характеру внаслідок збіднення біоценозу ґрунту і адсорбцією нею токсичних і канцерогенних поліциклічних ароматичних вуглеводнів, зокрема, 3,4 бенз(а)пірен, що важко піддається мікробіологічному розкладанню [4].

При забрудненні нафтою і нафтопродуктами ґрунту відбувається якісне і кількісне перерозподіл в фізіологічних групах мікроорганізмів, що населяють грунт. При високих дозах забруднення нафтою відзначено зниження зростання нітрофікуючих бактерій, зменшується чисельність актиноміцетів, деяких типів водоростей, що призводить до зниження родючості, а також біологічної активності ґрунту. Мікробіологічна діяльність протягом першого року після забруднення призводить до утворення нерозчинних в органічних розчинниках продуктів метаболізму нафти. Під впливом нафтового забруднення порушується співвідношення С: N, в зв'язку зі збільшенням вмісту органічного вуглецю, спостерігається підвищення токсичних концентрацій рухомих форм мікроелементів Мо, Сu, Zn.

Втрати нафти в результаті порушення цілісності магістральних і внутріпромислових нафтопроводів досягають величезних величин і коливаються, за оцінками різних дослідників, в досить широкому діапазоні. На кожен км² в зоні родовищ і трас нафтопроводів доводиться до 0,02 т розлитої нафти в рік. Аналітичні огляди показують, що втрати нафти в результаті аварійних проток становлять понад 3% від річного видобутку нафти. Найбільші втрати вуглеводнів пов'язані з ушкодженнями лінійних споруд, які обумовлені корозією металу, низькою якістю зварних швів і механічним руйнуванням трубопроводів. Зрозуміло, що на сучасному рівні розвитку нафтовидобувної промисловості неможливо виключити всі шкідливі фактори впливу на навколишнє середовище, але у всіх заходах, пов'язаних з ліквідацією наслідків забруднення, з відновленням порушених земель, необхідно виходити з головного принципу: не завдати екосистемі більшої шкоди, ніж той, який вже завдано при забрудненні.[ 5]

При попаданні на поверхню відбувається розтікання і захоплення значної території, окислення, випаровування, емульгування, розчинення, біодеградація, осадження. При попаданні на грунт відбувається закупорка біологічної структури Ґрунту, запускається механізм вимирання мікроорганізмів і бактерій. Забруднені нафтопродуктами землі стають млявими.

Природа може сама впоратися з такою непередбачуваною ситуацією, і перетворити забруднення, але в тому випадку, коли це невелике, разове джерело забруднення. Все залежить від біологічної стійкості даного середовища, а також від факторів, які супроводжують самоочищення. Основна проблема при забрудненні - активне поширення масляної плями, а також рідких і летючих сполук. Ці сполуки розносяться дуже швидко, як на поверхні, так і за допомогою ґрунтових вод, тому ґрунт теж може постраждати, навіть якщо вона знаходиться на значній відстані від джерела забруднення[2].

На основі нафти та її сполук свою роботу організовують багато галузей промисловості. Якщо не в продуктах своєї роботи, то в оснащенні, що забезпечує цю роботу. Починаючи з видобутку нафти, і закінчуючи використанням продуктів з неї, є передбачувані відходи виробництва, з якими доводиться стикатися.

Нафтовидобувна і нафтопереробні галузі промисловості загострюють проблеми, пов’язані із забрудненням навколишнього середовища. Забруднення ґрунтів нафтою спричиняє, як деградацію земель, так і створює небезпеку проникнення полютантів у живильні ланцюги, однією з ланок яких є людина. Це зумовлює гостру необхідність пошуку ефективних та екологічно безпечних методів очищення довкілля від забруднень нафтою. У зв’язку з цим набуває актуальності аналіз участі рослин у процесах деструкції компонентів нафти і розробка підходів для фіторемедіації нафтозабруднених територій[6].

Природне середовище забруднюють головним чином сира нафта, палива, масла, нафтові бітуми, сажа. Найбільш поширені перші дві групи рухомих нафтопродуктів. Вплив сирої нафти на природні об'єкти визначається токсичністю її основних компонентів.

У складі нафти завжди є легкі фракції і важкі. До легких відносяться фракції, представлені метановими, циклічними (нафтенові і ароматичні) вуглеводнями. Найбільш токсичні з них - ароматичні вуглеводні (арени). Бензол надає найбільш швидке вплив. З ПАУ пов'язані віддалені наслідки, включаючи канцерогенні. Небезпечні і сірчисті з'єднання, присутні в нафті, особливо сірководень і меркаптани.

Активне випаровування легких фракцій нафти відбувається в степах і пустелях. Важкі фракції там піддаються прискореній мінералізації.

Основну масу нафти складають вуглеводні 3 класів: метанові, нафтенові і ароматичні. Тип нафти визначається переважанням вуглеводнів того чи іншого класу

Важливе значення надається вмістові сірки, яка знаходиться головним чином у вигляді органічних сполук, частково у вигляді сірководню і у вільному стані. Залежно від вмісту сірки нафту розділяється на малосірчисту (бакинська - з вмістом сірки 0,03-0,4%) і багатосірнисті (середньоазіатська - з вмістом сірки 5,1%).

Нафтова промисловість включає розвідку, буріння, видобуток, транспорт, переробку, зберігання, роздачу нафти і нафтопродуктів.

Переробка нафти полягає:

1) в її перегонці з метою поділу па фракції, з яких кожна об'єднує вуглеводні, близькі за своїми фізичними властивостями;

2) в термічному або каталітичному розщепленні вищих вуглеводнів з утворенням сполук з меншою відносною молекулярною масою (крекінг).

Шляхом перегонки отримують бензин, нафту, гас, дизельне паливо і мазут. При вакуумній перегонці останнього отримують маслянисті фракції нафти, а в залишку - гудрон. Шляхом крекінгу з висококиплячих фракцій нафти отримують найбільш цінні низькокиплячі фракції, головним чином бензини.

Кінцевими продуктами переробки нафти і газу є різні види палива для карбюраторних, дизельних і реактивних двигунів, широкий асортимент мастил і мастил, парафіни, бітуми, нафтовий кокс і ін.

З нафти виробляють медичні препарати, сировини для парфумерної промисловості, каучуку, пластмас, жирів, кислот і ін. При переробці нафти в повітря можуть надходити пари вихідних, проміжних і кінцевих продуктів.[ 7]

Будь-яка з форм сірки, що знаходиться в нафті (сірководень, сульфіди, меркаптани, вільна сірка), надає токсичну дію на живі організми. Зі збільшенням сірчистості збільшується небезпека сірководневого зараження нафтозабруднених ґрунтів з надлишковим зволоженням (обглеєних, болотних, лучних). [8]

Нафтове забруднення ґрунтів змінює властивості ґрунтів, очищення від нафти дуже складний процес. Нафта потрапляє у ґрунт при розвідці і видобутку нафти, при аваріях на нафтопроводах, при аваріях річкових і морських нафтоналивних суденах, витоках нафтопродуктів на нафтобазах, АЗС. Перш за все це позначається на гумусовому горизонті: кількість вуглецю в ньому різко збільшується, але погіршується властивість ґрунтів, як поживного субстрату для рослин. Гідрофобні частинки нафти ускладнюють надходження вологи до коренів рослин, що призводить до фізіологічних змін останніх. Продукти трансформації нафти різко змінюють склад грунтового гумусу. На перших стадіях забруднення це відноситься в основному до ліпідних і кислих компонентів. На подальших етапах за рахунок вуглецю нафти збільшується вміст нерозчинного гуміну. У грунтовому профілі можлива зміна окисно-відновних умов, збільшення рухливості гумусових компонентів і ряду мікроелементів[9].

Нафта переходить у більш окислений стан, твердне, і при високих рівнях забруднення грунт нагадує асфальтоподібнуу масу. Заходи боротьби при малих рівнях забруднення: внесення добрив, що стимулюють розвиток мікрофлори і рослин, що сприяє часткової мінералізації нафти. При великих аваріях - нафту з Грунтового покриву видаляється механічним способом[10].

Нафтове забруднення ґрунтів спостерігається в районах видобутку, транспортування, зберігання і переробки нафти. Воно відбувається в основному через витоки нафти, пов'язаних з недотриманням технологій її видобутку, зношеністю обладнання, порушеннями при проектуванні, несанкціонованими врізками до чинних нафтопроводи [11].

Нафтопродукти - це продукти, отримані в результаті переробки сирої нафти. До них відносять вуглеводневі фракції, які виходять з нафти. Найбільшу небезпеку для навколишнього середовища несе в собі використання нафтопродукту в якості палива.

Транспортування основної маси нафтопродуктів на суші проходить по трубопроводах. Найбільш незахищеною частиною магістральних трубопроводів є переходи через канали, річки, озера. Магістральні трубопроводи перетинаються з шосейними і залізничними коліями, річками, озерами і каналами.

На земній поверхні нафта частково схильна фотохімічному розкладанню. Механізм цього процесу досі не вивчений.

Важливою характеристикою в процесі вивчення розливів на ґрунтах є вміст парафіну в нафті [12].

Щоб оцінити і проконтролювати рівень забруднення навколишнього середовища, потрібно розібрати групи нафтопродуктів, які відрізняються один від одного. Перерахуємо характерні особливості:

- Ступінь токсичності для живих організмів;

- Швидкість розкладання в навколишньому середовищі;

- Характер процесів, що відбуваються трансформацій в атмосфері, грунті, біоценозах та акваторії.

У ґрунтах техногенні забруднення знаходяться в наступних станах:

- В пористому середовищі - в рідкій легкорухливій формі;

- На частинках ґрунту або гірської породи - в пов'язаній формі (сорбовані);

- В поверхневому шарі землі - у вигляді щільної органомінеральної суміші.

Грунт прийнято вважати забрудненим нафтою, якщо концентрація горючого матеріалу досягає рівня, коли відбувається:

- Пригнічення або деградація рослинного покриву;

- Зниження продуктивності сільськогосподарських угідь;

- Порушення екологічної рівноваги в грунтовому біоценозі;

- Витіснення одним або двома виростають видами рослинності інших, уповільнення діяльності мікроорганізмів;

- Вимивання нафти з ґрунтів в поверхневі або підземні води.

Безпечний рівень забруднення ґрунтів нафтопродуктами - рівень, при якому не настає жодне з перерахованих вище наслідків, внаслідок нафтового забруднення.

Ведення відбору проб проводиться для контролю рівня забруднення ґрунтів, еколого-токсилогічної оцінки, для спостереження за рівнем забруднення Ґрунтів від витоків нафтопродуктів, попередження критичних ситуацій для тваринного світу.

Якщо екологічна аварія все ж таки відбулася, то в процесі відбору проб встановлюється:

- Глибина проникнення нафти в грунт, її напрямок і швидкість потоку в грунті;

- Можливість і масштаби проникнення нафти з ґрунтів у водоносні горизонти;

- Область поширення нафти в межах забруднюють водоносного горизонту;

- Причина забруднення нафтою ґрунтів і вод.

Вибір відбору проб знаходиться в залежності від багатьох факторів:

• рельєф місцевості;

• гідрогеологічні умови;

• джерело і характер нафтового забруднення.

Незважаючи на описані вище екологічні проблеми, в світі є не тільки методи, що знаходяться на етапі розробки, але і ті які успішно застосовуються.

В даний час існує вибір різних методів щодо зниження та запобігання нафтових забруднень ґрунтів. У загальному вигляді можна представити їх класифікацію наступним чином:

• - Механічний;

• - Фізико-хімічний;

• - Мікробіологічний;

• - Агротехнічний [13].

У ґрунтах нафту і нафтопродукти знаходяться в наступних формах:

а) в пористому середовищі - в пароподібному і рідкому легко рухомому стані, у вільній або розчиненій водній або водноемульсіонній фазі;

б) в пористому середовищі і тріщинах - у вільному нерухомому стані, граючи роль вузького або твердого цементу між частинками і агрегатами Ґрунту;

в) в сорбированному стані - на частинках гірської породи або Ґрунту (у тому числі на частинках органічних речовин);

г) в поверхневому шарі ґрунту або ґрунту - у вигляді щільної органо-мінеральної маси.

Забруднення нафтою призводить до різкого порушення в грунтовому мікробіоценозі. Комплекс грунтових мікроорганізмів відповідає на нафтове забруднення після короткочасного інгібування підвищенням своєї чисельності і посиленням активності. Перш за все це відноситься довуглеводоокисних мікроорганізмів, кількість яких різко зростає в порівнянні з незабрудненими Грунтами. Спільнота мікроорганізмів у грунті приймає нестійкий характер. В міру розкладання нафти в грунті загальний вміст мікроорганізмів наближається до фонових значень, але кількість нефтеокисних бактерій значно перевищує ті ж групи в незабруднених ґрунтах[14].

Залежно від температурних діапазонів википання нафтові фракції (продукти поділу нафти) підрозділяють на:

вуглеводневий газ - виводиться з установок в газоподібному і рідкому ("головка стабілізації") вигляді, направляється для подальшої переробки на газофракціонуючі установки, використовується як паливо нафтезаводних печей;

бензинова фракція - википає в межах 50-180 ° С, використовується як компонент товарного автомобільного бензину, сировина установок каталітичного риформінгу і піролізу; піддається вторинній перегонці для отримання вузьких фракцій;

гасова фракція - википає в межах 140-220С (180-240 С), використовується як паливо для реактивних і тракторних карбюраторних двигунів, для освітлення, як сировину установок гідроочищення;

дизельна фракція (легкий або атмосферний газойль, соляровим дистилят) - википає в межах 180-350 С (220-350 С, 240-350 С), використовується як паливо для дизельних двигунів і сировина установок гідроочищення;

мазут - залишок атмосферної перегонки - википає вище 350С, застосовується як котельне паливо або сировину для установок гідроочищення і термічного крекінгу;

вакуумні дистиляти (вакуумні газойлі) - википають в межах 350-500 С, використовуються як сировина каталітичного крекінгу і гідрокрекінгу;

трансформаторний дистилят (легка масляна фракція) - википає в межах 300-400 С (350-420 С);

машинний дистилят (середня масляна фракція) - википає в межах 400-450С (420-490 С);

циліндровий дистилят (важка масляна фракція) - википає в межах 450-490 С;

гудрон - залишок атмосферновакуумной перегонки нафти, википає при температурі вище 500 С (490 С), використовується як сировина установок термічного крекінгу, коксування, виробництва бітумів і масел. [15]